"Шапкі-невідзімкі" па-ранейшаму не відаць

Апошняй у серыі «шапак-невідзімак» з'яўляецца тая, што нарадзілася ва Універсітэце Рочэстэра (1), у якой выкарыстоўваецца адпаведная аптычная сістэма. Аднак скептыкі называюць гэта нейкім ілюзіяністскім трукам або спецэфектам, пры якім разумная сістэма лінзаў пераламляе святло і падманвае зрок назіральніка.

За ўсім стаіць даволі прасунутая матэматыка - навукоўцы з яе дапамогай павінны знайсці такую ​​настройку двух лінзаў, каб святло пераламлялася такім чынам, каб можна было схаваць аб'ект прама за імі. Гэтае рашэнне працуе не толькі пры прамым поглядзе на лінзы - досыць кута ў 15 градусаў ці іншага.

1. «Шапка-невідзімка» ад Універсітэта Рочэстэра.

Яго можна выкарыстоўваць у аўтамабілях для ўхілення сляпых зон у люстэрках ці ў аперацыйных, дазваляючы хірургам бачыць скрозь рукі. Гэта яшчэ адно з доўгай серыі адкрыццяў аб нябачная тэхналогіяякія прыйшлі да нас у апошнія гады.

У 2012 годзе мы ўжо чулі пра «Шапку-невідзімку» ад амерыканскага Універсітэта Дзюка. Толькі самыя дапытлівыя чыталі тады, што гаворка ішла аб нябачнасці маленькага цыліндру ў маленечкім фрагменце мікрахвалевага спектру. Годам раней афіцыйныя асобы Duke паведамілі аб тэхналогіі нябачнасці для сонара, якая ў некаторых колах можа здацца шматспадзеўнай.

На жаль, гаворка ішла аб нябачнасць толькі з вызначанага пункта гледжання і ў вузкім аб'ёме, што рабіла тэхналогію малапрыдатнай. У 2013 годзе нястомныя інжынеры з Дьюка прапанавалі надрукаванае на 3D-друкарцы прылада, якое маскіравала змешчаны ўнутр аб'ект мікраадтулін у канструкцыі (2). Аднак ізноў жа, гэта адбывалася ў абмежаваным дыяпазоне хваль і толькі з вызначанага пункта гледжання.

На апублікаваных у Інтэрнэце фатаграфіях шматабяцальна выглядала накідка канадскай кампаніі Hyperstealth, якая ў 2012 годзе рэкламавалася пад інтрыгуючай назвай Quantum Stealth (3). На жаль, працоўныя прататыпы так і не былі прадэманстраваны, і не было растлумачана, як гэта працуе. У якасці прычыны кампанія называе пытанні бяспекі і загадкава паведамляе аб падрыхтоўцы сакрэтных версій прадукта для ваенных.

Пярэдні манітор, задняя камера

Першы сучасныкепка-невідзімка» Прадстаўлены дзесяць гадоў таму японскім інжынерам праф. Сусуму Тачы з Такійскага ўніверсітэта. Ён выкарыстоўваў камеру, размешчаную за спіной чалавека, апранутага ў паліто, якое таксама было маніторам. На яго праецыравалася выява з задняй камеры. Чалавек у плашчы быў "нябачным". Падобны трук выкарыстоўвае прыладу Adaptiv для маскіроўкі баявых машын, прадстаўленую ў папярэднім дзесяцігоддзі кампаніяй BAE Systems (4).

Ён выводзіць інфрачырвоны малюнак ззаду на браню танка. Такую машыну проста не ўбачыць у прыцэльных прыборах. Ідэя маскіравання аб'ектаў аформілася ў 2006 годзе. Джон Пендры з Імперскага каледжа Лондана, Дэвід Шурыг і Дэвід Сміт з Універсітэта Дьюка апублікавалі ў часопісе Science тэорыю «трансфармацыйнай оптыкі» і прадставілі, як яна працуе ў выпадку мікрахваляў (даўжэйшыя хвалі), чым бачнае святло).

2. «Шапка-невідзімка», надрукаваная ў трох вымярэннях.

З дапамогай адпаведных метаматэрыялаў электрамагнітную хвалю можна скрывіць такім чынам, каб абыйсці навакольны аб'ект і вярнуцца на свой бягучы шлях. Параметрам, які характарызуе агульную аптычную рэакцыю асяроддзя, з'яўляецца паказчык праламлення, які вызначае, у колькі разоў павольней, чым у вакууме, святло рухаецца ў дадзеным асяроддзі. Мы вылічаем яго як корань твора адноснай электрычнай і магнітнай пранікальнасці.

адносная электрычная пранікальнасць; вызначае, у колькі разоў сіла электрычнага ўзаемадзеяння ў дадзеным рэчыве меншая за сілу ўзаемадзеяння ў вакууме. Значыць, гэта мера таго, наколькі моцна электрычныя зарады ўнутры рэчыва рэагуюць на знешняе электрычнае поле. Большасць рэчываў маюць дадатнае значэнне дыэлектрычнай пранікальнасці, што азначае, што поле, змененае рэчывам, па-ранейшаму мае той жа сэнс, што і вонкавае поле.

Адносная магнітная пранікальнасць m вызначае, як змяняецца магнітнае поле ў прасторы, запоўненым дадзеным матэрыялам, у параўнанні з магнітным полем, якое існавала б у вакууме пры той жа вонкавай крыніцы магнітнага поля. Для ўсіх сустракаемых у прыродзе рэчываў адносная магнітная пранікальнасць дадатная. Для празрыстых асяроддзяў, такіх як шкло ці вада, усе тры велічыні дадатныя.

Тады святло, пераходзячы з вакууму ці паветра (параметры паветра толькі трохі адрозніваюцца ад вакууму) у сераду, пераламляецца па законе праламлення і стаўленне сінуса кута падзення да сінуса кута праламлення роўна роўна паказчыку праламлення для дадзенага асяроддзя. Значэнне меншае за нуль; а m азначае, што электроны ўнутры асяроддзя рухаюцца ў напрамку, супрацьлеглым сіле, якая ствараецца электрычным або магнітным полем.

Менавіта гэта і адбываецца ў металах, у якіх вольны электронны газ падвяргаецца ўласным ваганням. Калі частата электрамагнітнай хвалі не перавышае частоты гэтых уласных ваганняў электронаў, то гэтыя ваганні настолькі эфектыўна экрануюць электрычнае поле хвалі, што не дазваляюць ёй пракрасціся ўглыб металу і нават стварыць поле, накіраванае процілегла вонкавае поле.

У выніку дыэлектрычная пранікальнасць такога матэрыялу адмоўная. Не маючы магчымасці пракрасціся ўглыб металу, электрамагнітнае выпраменьванне адлюстроўваецца ад паверхні металу, а сам метал набывае характэрны бляск. Што, калі б абодва тыпы дыэлектрычнай пранікальнасці былі адмоўнымі? Такое пытанне задаў у 1967 годзе рускі фізік Віктар Весялага. Аказваецца, паказчык праламлення такога асяроддзя адмоўны і святло пераламляецца зусім інакш, чым гэта вынікае са звычайнага закона праламлення.

5. Адмоўнае праламленне на паверхні метаматэрыялу - візуалізацыя

Тады энергія электрамагнітнай хвалі перадаецца наперад, але максімумы электрамагнітнай хвалі рухаюцца ў кірунку, процілеглым форме імпульсу і пераноснай энергіі. Такіх матэрыялаў у прыродзе не існуе (няма рэчываў з адмоўнай магнітнай пранікальнасцю). Толькі ў згаданай вышэй публікацыі 2006 г. і ў многіх іншых публікацыях, створаных у наступныя гады, удалося апісаць і, такім чынам, пабудаваць штучныя збудаванні з адмоўным паказчыкам праламлення (5).

Іх назвалі метаматэрыяламі. Грэцкая прыстаўка "мета" азначае "пасля", гэта значыць гэта канструкцыі з прыродных матэрыялаў. Метаматэрыялы набываюць неабходныя ім уласцівасці шляхам пабудовы малюсенькіх электрычных ланцугоў, якія імітуюць магнітныя ці электрычныя ўласцівасці матэрыялу. Многія металы маюць адмоўную электрычную пранікальнасць, таму дастаткова пакінуць месца для элементаў, якія даюць адмоўны магнітны водгук.

Замест аднастайнага металу на пласціну з ізаляцыйнага матэрыялу мацуецца мноства тонкіх металічных дратоў, размешчаных у выглядзе кубічнай сеткі. Змяняючы дыяметр правадоў і адлегласць паміж імі, можна рэгуляваць значэнні частоты, пры якіх канструкцыя будзе мець адмоўную электрычную пранікальнасць. Для атрымання адмоўнай магнітнай пранікальнасці ў найпростым выпадку канструкцыя складаецца з двух разарваных кольцаў, вырабленых з добрага правадыра (напрыклад, золата, срэбра ці медзі) і падзеленых пластом іншага матэрыялу.

Такая сістэма называецца рэзанатар з разрезным кольцам - скарочана SRR, ад англ. Split-ring resonator (6). З-за зазор у кольцах і адлегласці паміж імі ён мае пэўную ёмістасць, як кандэнсатар, а паколькі кольцы зроблены з які праводзіць матэрыялу, ён таксама мае пэўную індуктыўнасць, г.зн. здольнасць генераваць токі.

Змены вонкавага магнітнага поля ад электрамагнітнай хвалі выклікаюць праходжанне току ў кольцах, і гэты ток стварае магнітнае поле. Атрымліваецца, што пры адпаведнай канструкцыі магнітнае поле, якое ствараецца сістэмай, накіравана процілегла вонкаваму полю. Гэта прыводзіць да адмоўнай магнітнай пранікальнасці матэрыялу, які змяшчае такія элементы. Задаючы параметры метаматэрыяльнай сістэмы, можна атрымаць адмоўны магнітны водгук у дастаткова шырокім дыяпазоне частот хваль.

Мета - будынак

Мара канструктараў - пабудаваць сістэму, у якой хвалі ідэальна абцякалі б аб'ект (7). У 2008 годзе навукоўцы Каліфарнійскага ўніверсітэта ў Берклі ўпершыню ў гісторыі стварылі трохмерныя матэрыялы, якія валодаюць адмоўным паказчыкам праламлення для бачнага і блізкага інфрачырвонага святла, якія выгінаюць святло ў кірунку, процілеглым яго натуральнаму кірунку. Яны стварылі новы метаматэрыял, аб'яднаўшы срэбра з фтарыдам магнію.

Затым разразаюць яго на матрыцу, якая складаецца з мініятурных іголак. З'ява адмоўнага праламлення было заўважана на даўжынях хваль 1500 нм (блізкі інфрачырвоны дыяпазон). У пачатку 2010 года Толга Эргін з Тэхналагічнага інстытута Карлсруэ і яго калегі з Імперскага каледжа Лондана стварылі нябачны заслону для блізкага святла. Даследчыкі выкарыстоўвалі матэрыялы, даступныя на рынку.

Яны выкарыстоўвалі фатонныя крышталі, выкладзеныя на паверхню, каб пакрыць мікраскапічны выступ на залатой пласціне. Так быў створаны метаматэрыял са спецыяльных лінзаў. Лінзы насупраць гарба на пласціне размешчаны такім чынам, што, адхіляючы частка светлавых хваляў, яны ўхіляюць рассейванне святла на выпукласці. Назіраючы пласціну пад мікраскопам, выкарыстоўваючы святло з даўжынёй хвалі, блізкай да даўжыні хвалі бачнага святла, навукоўцы ўбачылі плоскую пласціну.

Пазней даследчыкам з Універсітэта Дзюка і Імперскага каледжа Лондана ўдалося атрымаць адмоўнае адлюстраванне мікрахвалевага выпраменьвання. Для атрымання гэтага эфекту асобныя элементы структуры метаматэрыялу павінны быць меншыя за даўжыню хвалі святла. Так што гэта тэхнічна складаная задача, якая патрабуе вытворчасці вельмі маленькіх структур з метаматэрыялу, якія адпавядаюць даўжыні хвалі святла, якую яны павінны пераламляць.

Бачнае святло (ад фіялетавага да чырвонага) мае даўжыню хвалі ад 380 да 780 нанаметраў (нанаметр роўны адной мільярднай частцы метра). На дапамогу прыйшлі спецыялісты па нанатэхналогіях з шатландскага ўніверсітэта Сэнт-Эндрус. Яны атрымалі адзін пласт метаматэрыялу з надзвычай шчыльнай сеткай. На старонках часопіса New Journal of Physics апісаны метафлекс, здольны скрыўляць даўжыні хваль каля 620 нанаметраў (аранжава-чырвонае святло).

У 2012 годзе група амерыканскіх даследчыкаў з Тэхаскага ўніверсітэта ў Осціне прадставіла зусім іншы трук з выкарыстаннем мікрахваляў. Цыліндр дыяметрам 18 гл быў пакрыты плазменным матэрыялам з адмоўным імпедансам, што дазваляе маніпуляваць уласцівасцямі. Калі ён мае прама супрацьлеглыя аптычныя ўласцівасці ўтоеным аб'екту, ён стварае свайго роду "негатыў".

Такім чынам, дзве хвалі перакрываюцца, і аб'ект становіцца нябачным. У выніку матэрыял можа скрыўляць некалькі розных частотных дыяпазонаў хвалі, так што яны абцякаюць аб'ект, збягаючыся на другім яго баку, што можа здавацца незаўважным іншаму назіральніку. Тэарэтычныя канцэпцыі памнажаюцца.

Каля тузіна месяцаў таму ў "Advanced Optical Materials" з'явіўся артыкул аб магчыма рэвалюцыйным даследаванні навукоўцаў з Універсітэта Цэнтральнай Фларыды. Хто ведае, ці не ўдалося ім пераадолець існуючыя абмежаванні нашапкі-невідзімкі»Пабудаваны з метаматэрыялаў. Згодна з апублікаванай імі інфармацыі, магчыма знікненне аб'екта ў дыяпазоне бачнага святла.

7. Тэарэтычныя спосабы скрыўлення святла на нябачным аб'екце

Дэбашыс Чанда і яго каманда апісваюць выкарыстанне метаматэрыялу з трохмернай структурай. Атрымаць яго ўдалося дзякуючы т.зв. нанатрансферны друк (нТП), якая выпускае металадыэлектрычныя стужкі. Паказчык праламлення можна змяніць метадамі нанаінжынерыі. Шлях распаўсюджвання святла павінен кантралявацца ў трохмернай структуры паверхні матэрыялу з выкарыстаннем метаду электрамагнітнага рэзанансу.

Навукоўцы вельмі асцярожныя ў высновах, але з апісання іх тэхналогіі зусім ясна, што пакрыцці з такога матэрыялу здольныя ў значнай ступені адхіляць электрамагнітныя хвалі. Акрамя таго, спосаб атрымання новага матэрыялу дазваляе вырабляць вялікія пляцы, што прымушала некаторых ужо марыць аб знішчальніках, пакрытых такім камуфляжам, які забяспечваў бы ім нябачнасць поўны, ад радара да дзённага святла.

Прылады маскіроўкі з ужываннем метаматэрыялаў ці аптычных прыёмаў выклікаюць не фактычнае знікненне аб'ектаў, а толькі іх нябачнасць для сродкаў выяўлення, а неўзабаве, магчыма, і для вока. Аднак ёсць ужо і больш радыкальныя ідэі. Джэнг Йі Лі і Рэй-Куанг Лі з Тайваньскага нацыянальнага ўніверсітэта Цін Хуа прапанавалі тэарэтычную канцэпцыю квантавай «шапкі-невідзімкі», здольнай прыбіраць аб'екты не толькі з поля зроку, але і з рэальнасці ў цэлым.

Гэта будзе працаваць аналагічна таму, што абмяркоўвалася вышэй, але замест раўнанняў Максвела будзе выкарыстоўвацца раўнанне Шрэдынгера. Сутнасць у тым, каб расцягнуць поле верагоднасці аб'екта так, каб яно было роўна нулю. Тэарэтычна гэта магчыма ў мікрамаштабе. Аднак тэхналагічных магчымасцяў выраба такога вечка чакаць прыйдзецца доўга. Аналагічна любомукепка-невідзімка“Пра што можна сказаць, што яна сапраўды нешта хавала ад нашага погляду.